Robótica. TEMA 2: MORFOLOGIA del ROBOT. Parámetros del Robot Industrial Estructura mecánica. Actuadores Sensores internos Elementos terminales

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1 Robótica TEMA 2: MORFOLOGIA del ROBOT. Parámetros del Robot Industrial Estructura mecánica Transmisiones y reductores Actuadores Sensores internos Elementos terminales Introducción Morfología del Robot Modelado cinemático de Robots Control de movimiento y planificación Programación de robots Fundamento de FMS. Criterios de implantación y aplicaciones Aplicaciones no industriales de la robótica Introducción al los AGVs y Robótica móvil Sistemas de loscalización en robótica: el filtro de Kalman 1

2 Contenidos Parámetros del Robot Industrial Estructura mecánica Transmisiones y reductores Actuadores Sensores internos Elementos terminales Elementos del Robot 4 2

3 Parámetros del Robot Industrial GDL (Grados de libertad): cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. un cuerpo libre en el espacio puede moverse en 3 dirs indepts y rotar en esas 3 mismas direcciones por tanto tiene 6GDL Espacio o volumen de trabajo) Es el alcance de la pinza del robot. El volumen de trabajo de un robot se refiere únicamente al espacio dentro del cual puede desplazarse el extremo de su muñeca. Para determinar el volumen de trabajo no se toma en cuenta el actuador final. 5 Parámetros del Robot Industrial Capacidad de carga. El peso, en kilogramos, que puede transportar el manipulador. En modelos de robots industriales, la capacidad de carga de la garra, puede oscilar de entre 300 kg. y 0.9Kg. Es una de las características que más se tienen en cuenta en la selección de un robot, según la tarea a la quesedestine.ensoldaduraymecanizadoescomún precisar capacidades de carga superiores a los 50kg. Velocidad. Se suele dar en articulares y en cartesianas. AA menudo aceleración/des. consume gran parte del tiempo de ciclo (no solo importante peak speed). 6 3

4 Parámetros del Robot Industrial Repetibilidad. Grado de exactitud en la repetición de un movimiento. Se mide en el error máximo cometido en el posicionamiento de un robot en un mismo punto. Precisión. Capacidad de un robot de situar el extremo de su muñeca en un punto determinado del espacio de trabajo. Se mide el error máximo cometido. Normalmente hay más precisión cerca de la base, tanto por razones geométricas como mecánicas. La carga afecta a la precisión. 7 Estructura Mecánica Sistema electromecánico compuesto de: Actuadores, Sensores y Sistema de Control En un sistema mecánico distinguiremos: Órgano Terminal (End-Effector, pinza, garra ) Brazo articulado (eslabones + articulaciones) Vehículo (En R.Móvil, escasos en RI) Sensores : S.Internos: Se utilizan para el control de posición y velocidad de las distintas articulaciones del robot S.Externos: se usan para el control de la célula de trabajo. Se utilizan para coordinar la operación de los robots con otros elementos de la célula y/o reaccionar inteligentemente a los cambios del entorno (e.g.: obstáculos, presencia de una pieza, etc.). 8 4

5 Estructura Mecánica (III) Tipos de articulaciones para robots 9 Estructura Mecánica (IV) Configuración: combinación de articulaciones 10 5

6 Estructura Mecánica (V) Robots paralelos 11 Estructura Mecánica (VII) Robots redundantes: GDL del robot > GDL del espacio de la tarea 12 6

7 Estructura Mecánica 13 Transmisiones (I) Justificación Reducción del momento de inercia (acercamiento de los actuadores a la base) Conversión lineal-circular y viceversa Características necesarias Tamaño y peso reducido Mínimos juegos u holguras Gran rendimiento No debe afectar al movimiento Capaz de soportar funcionamiento continuo a un par elevado 14 7

8 Transmisiones (II) Sistemas de transmisión para robots Entrada-Salida Denominación Ventajas Inconvenientes Circular-Circular Engranaje Pares altos Holguras Correa dentada Distancia alta Cadena Ruido Paralelogramo Distancia alta Giro limitado Cable Deformable Circular-lineal Tornillo sin fin Poca holgura Rozamiento Cremallera Holgura media Rozamiento Lineal-Circular Paralel. Articulado Control dificil Cremallera Holgura media Rozamiento 15 Transmisiones (III) Transmisión por engranajes en el telemanipulador TELBOT 16 8

9 Reductores (I) Misión: Adaptar par y velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los eslabones del robot Específicos para robots (altas prestaciones) Características: Bajo peso, tamaño y rozamiento Capacidad de reducción elevada en un solo paso Mínimo momento de inercia Mínimo juego o backslash Alta rigidez torsional 17 Reductores (II) Características de los reductores para robótica Características Valores típicos Relación de reducción Peso y tamaño Kg Momento de Inercia 10-4 Kg m 2 Velocidad de entrada máxima rpm Par de salida nominal 5700 Nm Par de salida máximo 7900 Nm Juego angular 0-2 Rigidez torsional Nm/rad Rendimiento 85% - 98% 18 9

10 Reductores (III) Reductor Harmonic-Drive VIDEO Reductores (IV) Reductor CYCLO VIDEO 10

11 Robots de accionamiento directo Robots de accionamiento eléctrico sin reductores (Direct Drive) Ventajas: Posicionamiento rápido y preciso Mayor controlabilidad (aunque más compleja) Simplificación del sistema mecánico Desventajas: Necesidad de motores especiales (par elevado a bajas revoluciones con alta rigidez) id Reducción de la resolución del codificador de posición Típicos en robots SCARA 21 Actuadores (I) Tipos empleados en robótica: Neumáticos (cilindros y motores) Hidráulicos (cilindros y motores) Eléctricos (DC, AC y Motores paso a paso) Características: Potencia Controlabilidad Peso y volumen Precisión Velocidad Mantenimiento Coste Robotica Industrial- Morfología 22 11

12 Actuadores (II) Características de los actuadores para robots Neumático Hidráulico Eléctricos Energía Aire a presión Aceite mineral AC,DC (5-10 bar) ( bar) Opciones Ventajas Desventajas Cilindros Motor de paletas Motor de pistón Baratos Rápidos Sencillos Robustos Control complejo Instalación especial Ruidoso Cilindros Motor de Paletas M. de pistones axial Rápidos Alta rel. Pot./peso Autolubricados Fuerzas/pares altos Estabilidad estática Mantenimiento complejo Instalación especial Fugas frecuentes Caros Motores DC Motores AC Paso a paso Precisos Fiables Control sencillo Instalación sencilla Silenciosos Potencia limitada Robotica Industrial- Morfología 23 Actuadores(III) Motores eléctricos Robotica Industrial- Morfología 24 12

13 Sensores Internos (I) Robotica Industrial- Morfología 25 Sensores Articulares Posición Indican en que posición se encuentra un elemento del robot. Potenciómetro: es una resistencia al que se le puede variar el valor de su R en función de un ángulo o desplazamiento Se utilizan para determinar desplazamientos lineares o angulares Dan bajas prestaciones (mucho ruido, poca precisión, etc.) No se suelen usar salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes de poca importancia) Se usan combinados. Encoders (Codificadores angulares de posición) A partir de un desplazamiento angular o lineal proporcionan una señal digital, que sirve para obtener una medida absoluta o incremental del desplazamiento 26 13

14 Encoder Incremental (I) Basados en principios ópticos (los hay magnéticos y eléctricos) 27 Encoder Incremental (II) Para diferenciar el sentido de giro se disponen dos franjas de marcas (A y B) desplazadas de forma que los trenes de pulsos generados estén desfasados 90º en sentido positivo Existe una marca de cero (pulso C) para contar vueltas Existen encoders lineales (reglas ópticas) Consideraciones: + Gran precisión (hasta pulsos por vuelta) - Pierden la posición al cortar la alimentación (incrementales) - Sensibles a vibraciones y golpes 28 14

15 Encoder Absoluto Proporcionan una salida digital codificada correspondiente a la posición absoluta del elemento móvil La codificación (binaria) se consigue a través de la disposición adecuada de zonas distintas a las que se le asigna un valor binario Se basan en propiedades ópticas (como los encoders incrementales) Robotica Industrial- Morfología 29 Encoder Absoluto (II) Es necesario que exista un buen alineamiento entre las franjas + No se pierde información con la caída de tensión + inmunidad ante interferencias + No es necesario punto de referencia + Buena información a grandes velocidades + Resolución 6 a 16 bits - Cabezales de lectura muy complejos 30 15

16 Encoder Absoluto (III) La resolución es fija y viene dada por el número de anillos del disco graduado (típicamente desde 256 a posiciones) Para evitar errores se utiliza el Código Gray (entre posiciones consecutivas sólo cambia un bit) 31 Encoder Absoluto (IV) El Código Gray 32 16

17 Sensores Externos Visión: Identificación de superficies y objetos por medio de cámaras digitales Fuerza y Contacto: Control de la fuerza de agarre, alineaciones, inserciones, dinámica Proximidad: evitar obstáculos, detección de piezas. 33 Sensores Externos Proximidad: usados para detectar la presencia de objetos cercanos. Hay de muchos tipos: Ultrasónicos Magnéticos Inductivos Capacitivos Ópticos

18 Sensores Externos Scaneres Para medir grandes distancias, se mide el TOF (Time of Flight). Para medir distancias menores, se mide el desplazamiento de fase (luz modulada). Son de una gran precisión. Funcionan mediante un barrido del emisor. El receptor recoge los ecos de las distintas posiciones del barrido. Gran inconveniente: precio. 35 Sensores Externos Scaneres Se usan mucho como sistema de seguridad Actualmente las TOF Cameras 36 18

19 Sensores Externos Sensores de Fuerza Determina la fuerza con que el extremo del robot actua sobre un determinado objeto Se suelen poner en la muñeca y/o pinza Proporciona información sobre Fuerzas y Momentos (3, 1 por cada eje) Sensores piezorresistivos: varian su resistencia al sufrir un alargamiento (Galgas extensiométricas) Sensores piezoeléctricos: cuando se le aplica una fuerza, las cargas negativas del material se concentran en un lado, y las positivas en el lado opuesto generándose un voltaje que está relacionado linealmente con la fuerza aplicada 37 Sensores Externos Cámaras De perspectiva simple Stereoscópicas Omnidireccionales Con iluminación estructurada 38 19

20 Elementos terminales (I) Los robots no incluyen el efector final. Tipos de elementos terminales o end effectors: Elementos de aprehensión o sujeción Herramientas: fresadora, soldadura, inyección, Robotica Industrial- Morfología 39 Elementos Terminales (II) Sistemas de sujeción para robots Tipos de sujeción Accionamiento Uso Pinza de presión Neumático o eléctrico Transporte y manipulación desp. angular de piezas sobre las que no desp. lineal importe presionar Pinza de enganche Neumático o eléctrico Piezas de grandes dimens. o sobre las que no se puede ejercer presión Ventosas de vacío Neumático Cuerpos con superficie lisa poco porosa (cristal, plástico, etc.) Electroimán Eléctrico Piezas ferromagnéticas

21 Elementos terminales (III) Herramientas terminales para robots Tipo de herramienta Comentarios Pinza soldadura por puntos Dos electrodos que se cierran sobre la pieza a soldar Soplete soldadura al arco Aportan el flujo de electrodo que se funde Cucharón para colada Para trabajos de fundición Atornillador Suelen incluir la alimentación de tornillos Fresa-lija Para perfilar, eliminar rebabas, pulir, etc Pistola de pintura Por pulverización de la pintura Cañón láser Para corte de materiales, soldadura o inspección. Cañón de agua a presión Para corte de materiales. 41 Elementos Terminales (IV) Pistola de pintura neumática 42 21

22 Elementos Terminales (V) Pinza de soldadura 43 Elementos Terminales (VI) Pinza de de vacío 44 22

23 Arquitectura de control Sensores internos Articulación 1 Dispositivos de almacenamiento Memoria Servocontrolador Articulación 1 Amplificador de potencia Sensores internos Articulación 2 Accionamiento Articulación 1 Interfaz de usuario CPU Genérica Servocontrolador Articulación 2 Amplificador de potencia Accionamiento Articulación 2 Comunicaciones Sensores internos Articulación n Servocontrolador Articulación n Amplificador de potencia Accionamiento Articulación n 45 Armario de control 46 23

24 Paleta o unidad de programación 47 24